如今，可穿戴醫(yī)療保健系統(tǒng)在疾病預(yù)測和診斷中發(fā)揮著重要作用。其中，汗液分析已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注，因為汗液中含有豐富的身體分泌物，能夠反饋必要的健康信息，并且與其他體液相比更容易收集。目前常見的汗液收集方法包括使用吸水材料、超疏水/超親水表面、導(dǎo)汗器、表皮微流體等。然而，這些方法在汗液收集過程中會不可避免地引入環(huán)境污染。因此，直接在表皮以液滴方式收集和驅(qū)動汗液是減少與環(huán)境不必要接觸的有效途徑。

基于此，蘇州大學(xué)陳立國教授、黃海波副教授、文震副研究員等人報道了一種基于電介質(zhì)電潤濕（EWOD）設(shè)備和摩擦納米發(fā)電機（TENG）的可穿戴人體汗液監(jiān)測平臺（WSMP）。該平臺可通過介電潤濕效應(yīng)在不同的腔室中收集和傳輸汗液滴，并使其與pH指示劑合并及反應(yīng)。TENG產(chǎn)生的高壓電場可以使電解質(zhì)液滴的接觸角在摩擦電壓為5kV時變化超過30%，通過改變固液界面的潤濕性，實現(xiàn)對液滴運動的控制。最后，研究人員將可穿戴WSMP進行應(yīng)用演示，實現(xiàn)了對人體汗液pH值的初步檢測。該研究以題為“A Wearable Electrowetting on Dielectrics Sensor for Real-Time Human Sweat Monitor by Triboelectric Field Regulation”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

具體而言，WSMP由作為汗液主要檢測元件的EWOD裝置和作為電壓源的TENG組成。制成鞋墊的TENG可以通過收集人體運動能量為EWOD中的汗滴驅(qū)動提供高壓電場。當(dāng)人們行走或運動時，TENG的兩個電極會感應(yīng)并轉(zhuǎn)移相反極性的交變電荷。TENG中，鋁箔和氟化乙烯丙烯薄膜為頂板和底板的摩擦層，多孔聚氨酯作為基材。夾層結(jié)構(gòu)的EWOD設(shè)備頂部和底部為涂有疏水材料的ITO電極，中間為電潤濕介電層。該EWOD設(shè)備柔性且透明，便于佩戴和觀察，可貼在小腿或腳踝的表皮上，其上電極分別與TENG上下摩擦層的鋁箔相連接。當(dāng)汗液流向EWOD裝置的邊緣時，TENG產(chǎn)生的高電壓施加到電極上，電極上汗液滴的接觸角減小，導(dǎo)致向內(nèi)的總表面張力。因此，汗滴能夠順利流入EWOD裝置的腔室，并且pH指示劑沿相反方向移動并與汗滴反應(yīng)，實現(xiàn)汗滴的pH檢測。

圖1 WSMP的結(jié)構(gòu)和工作原理

而液滴在介電潤濕效應(yīng)作用下運動的原理是接觸角隨外加電壓的變化而變化。當(dāng)EWOD裝置中兩塊板之間形成摩擦電場時，液滴的接觸角減小。在交流循環(huán)期間，液滴接觸角的變化可以通過不斷變化方向的電場導(dǎo)致液滴中不同極性的離子周期性吸附來解釋。為了研究TENG的輸出對介質(zhì)潤濕的影響，研究人員展示了接觸角的變化過程。當(dāng)TENG周期性接觸和分離產(chǎn)生電勢時，液滴會反復(fù)振動，而Teflon疏水層上的接觸角滯后約為7°，因此摩擦電場的驅(qū)動力足以移動具有不同溶解物質(zhì)的液滴。此外，研究人員在EWOD裝置中實現(xiàn)了液滴的移動和合并。液滴分布在中間電極的兩側(cè)，當(dāng)中間電極通電時，兩側(cè)的液滴同時相對移動，然后合并進行微反應(yīng)。

圖2 摩擦電場產(chǎn)生EWOD效應(yīng)的原理

圖3 液滴在由摩擦電場驅(qū)動的EWOD設(shè)備中移動

最后，研究人員展示了一種穿戴在小腿上的WSMP裝置，可通過汗液和pH指示劑的顏色反應(yīng)來測試pH值。集成在運動鞋鞋墊中的TENG連接到EWOD設(shè)備，為驅(qū)動汗滴提供摩擦電場，人體運動的機械能是TENG發(fā)電的主要來源。反應(yīng)部分為平行板結(jié)構(gòu)，可有效避免污染。當(dāng)汗滴位于單極板和雙極板的過渡區(qū)時會卡住，然后電極被TENG通電，使得液滴在腔室中流動，隨后液滴進入腔室并與pH指示劑反應(yīng)。研究人員通過具有RGB特征的普通最小二乘法用于準(zhǔn)確反映從佩戴者檢測到的pH值。根據(jù)擬合方程，提取和分析反應(yīng)后的汗液顏色，然后將數(shù)據(jù)傳輸至移動APP中，實現(xiàn)實時汗液監(jiān)測。研究人員使用WSMP對三名健康志愿者進行了穿戴實驗，結(jié)果表明，三名志愿者的汗液pH值分別為6.57、6.80和7.01。

圖4 穿戴在小腿上的WSMP演示，用于實時汗水監(jiān)測

綜上所述，研究人員設(shè)計了一種基于接觸分離式TENG和柔性EWOD設(shè)備的可穿戴人體汗液監(jiān)測平臺，以探索主動高效地檢測汗液從而反映人體健康狀況。汗滴可以通過接觸分離TENG提供的靜電場來控制。該WSMP能與手機集成，具有自供電、低污染、主動控制等優(yōu)點。通過穿戴該WAMP，研究人員成功實現(xiàn)了人體汗液的pH值監(jiān)測。這項工作在實現(xiàn)集成度高的復(fù)雜檢測系統(tǒng)方面具有巨大潛力，在可穿戴傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，可用于多參數(shù)的并行測量。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202204525

審核編輯 ：李倩